9度區(qū)某雙塔高層結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)
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張建新1， 倪金濤1， 張文圣2， 劉 站1
（1昆明民用建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650221;2云南震安減震技術(shù)有限公司，昆明650211）
[摘要] 結(jié)合9度(0. 40g)區(qū)尋甸匯龍印象住宅小區(qū)的雙塔高層結(jié)構(gòu)，介紹其隔震設(shè)計(jì)的基本步驟及隔震支座受拉應(yīng)力的控制方法。提出按同一時(shí)刻出現(xiàn)拉應(yīng)力的隔震支座數(shù)量占隔震支座總數(shù)量比例不宜超過15%的原則來進(jìn)行隔震支座布置；在對雙塔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整體隔震分析的同時(shí)，對單塔模型也進(jìn)行隔震分析校驗(yàn)，并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；對該雙塔高層結(jié)構(gòu)的超長樓板進(jìn)行了地震作用和溫度作用下的應(yīng)力分析，在樓板應(yīng)力變化較大及應(yīng)力集中處按分析結(jié)果進(jìn)行了板厚及配筋的加強(qiáng)。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)滿足要求。
[關(guān)鍵詞] 隔震設(shè)計(jì)；受拉隔震支座；雙塔高層結(jié)構(gòu)；超長樓板
中圖分類號：TU352. 12 文章編號：1002-848X( 2016) 11-0039-05
1 工程概況
尋甸匯龍印象住宅小區(qū)位于云南省尋甸縣縣城，小區(qū)共14棟均采用隔震的高層建筑，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。其中，5 N14棟為11層的小高層建筑，1~2棟和3～4棟均為18層的雙塔高層建筑結(jié)構(gòu)，建筑效果圖如圖1所示。
本文主要介紹1~2棟雙塔結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)（3～4棟的情況與1～2棟基本一致，本文從略），1～2棟為帶2層底盤的雙塔高層結(jié)構(gòu)，平面長度為61. 50m，超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)（簡稱混規(guī)）45m的限值。該雙塔結(jié)構(gòu)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)）所定義的豎向體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)，屬復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。該雙塔結(jié)構(gòu)由2層裙房連接，1層層高3.7m，2層層高3.6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m，室內(nèi)外高差0. 45m，建筑總高54.15m。1層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示，結(jié)構(gòu)局部剖面如圖3所示。
工程抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. 40g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0. 55s。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。
隔震層設(shè)置于塔樓地下1層與首層之間（圖3)，隔震層層高為2. 45m。隔震層以上剪力墻厚度為200，250，450mm；隔震層以上梁截面尺寸為200×400,200×600，200×700;隔震層梁主要截面尺寸為800 x1500，600 x1200，900 x1500；隔震層柱（隔震支座）主要截面尺寸為900×900，900×1800，1000 x2 000;隔震層以上構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級為C30~ C45，隔震層構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級為C45。
2 隔震分析及隔震層設(shè)計(jì)
本工程初步確定的隔震目標(biāo)為上部結(jié)構(gòu)按8度(0.2g)設(shè)計(jì)。采用SATWE軟件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用ETABS軟件進(jìn)行模型驗(yàn)證。在對雙塔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行隔震分析的同時(shí)，對單塔模型也進(jìn)行隔震分析并校驗(yàn)，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，本文給出的驗(yàn)算結(jié)果均為包絡(luò)值。本工程嵌固端設(shè)在地下車庫頂板。
2.1隔震支座的布置及分析
工程共使用了110個(gè)有鉛芯隔震支座，各類型支座數(shù)量及力學(xué)性能見表1，隔震支座平面布置見圖4，隔震結(jié)構(gòu)屈重比為0. 029。
(1)拉應(yīng)力驗(yàn)算
按原來隔震支座的布置驗(yàn)算，在罕遇地震作用下，隔震支座拉應(yīng)力最大值雖均未超過《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規(guī)）規(guī)定的1. 0MPa，但出現(xiàn)拉應(yīng)力情況的支座較多，達(dá)到74. 28%。經(jīng)與多方專家溝通，提出按同一時(shí)刻出現(xiàn)拉應(yīng)力的隔震支座數(shù)量占隔震支座總數(shù)量的比例不宜超過15%、不應(yīng)超過20%的原則來布置隔震支座。經(jīng)驗(yàn)算，調(diào)整優(yōu)化隔震支座布置（圖4）后，同一時(shí)刻出現(xiàn)拉應(yīng)力的隔震支座數(shù)量占隔震支座總數(shù)量的比例為16. 4%；本工程的隔震支座拉應(yīng)力最大值為0. 65MPa，出現(xiàn)在編號為187的隔震支座，滿足抗規(guī)拉應(yīng)力不應(yīng)大于1. 0MPa的要求。隔震支座有充分的安全儲(chǔ)備。
(2)壓應(yīng)力驗(yàn)算
經(jīng)驗(yàn)算，隔震支座壓應(yīng)力最大值為11.26MPa，出現(xiàn)在編號為382的隔震支座，滿足抗規(guī)要求。
2.2地震動(dòng)選擇
根據(jù)抗規(guī)要求，時(shí)程分析法時(shí)選取了5條實(shí)際強(qiáng)震記錄（549波、N11波、N12波、N29波、N94波）和2條人工波（REN1波、REN1波），圖5為所選取的7條地震波時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線。
2.3隔震層的抗風(fēng)承載力驗(yàn)算及隔震效果分析
2.3.1隔震層抗風(fēng)承載力的驗(yàn)算
根據(jù)抗規(guī)第12.1.3條，采用隔震的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，本結(jié)構(gòu)總重力為309 994kN，采用隔震支座后，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力為2 051kN，小于309 994×10%=3 099. 4kN，滿足要求。
隔震層必須具備足夠的屈服前剛度和屈服承載力，以滿足風(fēng)荷載和微振動(dòng)的要求。根據(jù)《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》( CECS126: 2001)第4.3.4條規(guī)定，抗風(fēng)裝置應(yīng)按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
2.3.2隔震效果
通過設(shè)置隔震支座延長整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振周期，減小輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期防震的要求。如表2所示，本工程隔震前結(jié)構(gòu)的自振周期為1. 178~1.240s，隔震后延長到2.430~2.698s，自振周期放大系數(shù)最小為2. 063，最大為2.236。計(jì)算結(jié)果表明，本工程在罕遇地震作用下，隔震層最大水平位移285mm，發(fā)生在編號508，510，517隔震支座，
小于0. 55D= 330mm（D為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為600mm）及3Tr=330mm（T r為最小隔震支座的橡膠層總厚度）中的較小值，滿足抗規(guī)要求。隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平作用降至相當(dāng)于抗震設(shè)防烈度8度(0.20g)的水平。另外，從表2和表3可以看出，隔震效果明顯。
2.5隔震層以下結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)抗規(guī)12.2.9條要求，隔震層以下的結(jié)構(gòu)（包括地下室和隔震塔樓下的底盤）中直接支承隔震層以上結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件，隔震后在設(shè)防地震作用下應(yīng)滿足抗震承載力的要求，在罕遇地震作用下應(yīng)進(jìn)行抗剪承載力的驗(yàn)算。
支墩的受力簡圖見圖8，其中，P為在設(shè)防（罕遇）地震時(shí)設(shè)計(jì)組合工況下上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的軸力；V x，Vy為設(shè)防（罕遇）地震時(shí)設(shè)計(jì)組合工況下上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的X向和y向水平剪力；U x，U y為設(shè)防（罕遇）地震作用下隔震支座產(chǎn)生的水平位移；h b為隔震支座高度；H為隔震支墩的高度。
隔震支座下支墩底部產(chǎn)生的
按上述要求對隔震支座的下支墩進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)的支墩節(jié)點(diǎn)詳圖見圖9，其中L a E為鋼筋錨固長度。
2.6相關(guān)設(shè)計(jì)措施
(1)嚴(yán)格控制墻柱軸壓比，提高柱的延性，本工程隔震層以上墻肢最大軸壓比為0. 39，隔震層轉(zhuǎn)換柱的最大軸壓比為0. 60。
(2)隔震轉(zhuǎn)換層的主梁抗震等級提高一級，由二級提高為一級。
(3)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，樓梯間框架柱和樓梯柱的箍筋全柱段加密設(shè)置。對突出屋面的結(jié)構(gòu)及較高的女兒墻采取加強(qiáng)構(gòu)造措施。
(4)采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生大變形的構(gòu)造措施。上部結(jié)構(gòu)的周邊設(shè)置豎向隔離縫，縫寬不宜小于隔震橡膠支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍且不宜小于200mm。上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間，應(yīng)設(shè)置完全貫通的水平隔離縫，縫高可取20mm，并用柔性材料填充；當(dāng)設(shè)置水平隔離縫確有困難時(shí)，應(yīng)設(shè)置可靠的水平滑移墊層。
3 雙塔上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用SATWE和SAP2000兩個(gè)軟件．并采用較不利結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.1溫度效應(yīng)下裙房樓板應(yīng)力分析
工程位于昆明市尋甸縣城，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》( GB 50009-2012)，基本氣溫最低取-1℃，最高取28℃，后澆帶閉合時(shí)間在10月份，考慮該地區(qū)10月份溫差較大，后澆帶閉合時(shí)的溫度取5～20℃。綜上所示，取升溫29℃、降溫- 21℃情況進(jìn)行分析，采用SAP2000軟件計(jì)算。計(jì)算所得樓板的應(yīng)力分布見圖10、圖11。由圖10可知，在降溫21℃情況下，裙房屋面板的拉應(yīng)力絕大部分小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f t k=2.51MPa，但在裙房屋面板的中部、四角及洞口附近拉應(yīng)力較大，接近f t k，少數(shù)地方超過了f t k。由圖11可知，在升溫29℃情況下，裙房屋面板基本處于受壓狀況，最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f c k= 29. 6MPa。
3.2地震作用下裙房樓板應(yīng)力分析
由圖12，13可知，在多遇地震作用下，裙房屋面板的拉應(yīng)力大部分小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f t k=2. 51MPa，在兩塔樓之間的裙房屋面板連接部分、與主樓直接連接的樓板處，拉應(yīng)力超過了ft k；在設(shè)防地震作用下，連接兩塔樓之間的裙房屋面板連接部分的拉應(yīng)力大部分超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ft k=2. 51MPa。
綜上，設(shè)計(jì)時(shí)將裙房屋面板的四角、洞口周邊的樓板板厚加厚至160mm，樓板采用亞12@150雙層雙向配筋；將兩塔樓之間的裙房屋面板連接部分
3.3構(gòu)造及加強(qiáng)措施
(1)兩個(gè)塔樓結(jié)構(gòu)布置要一致且對稱布置，不存在塔樓偏置情況。
(2)塔樓中與裙房相連的外圍柱、剪力墻從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi)，按高規(guī)第
7.2. 15條的規(guī)定設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。
(3)為保證結(jié)構(gòu)大底盤與塔樓的整體作用，除了滿足計(jì)算要求外，裙房屋面板厚度不小于150mm，且雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率不小于0. 25%；將兩塔樓之間的裙房屋面板連接部分（11軸與14軸之間樓板）板厚加厚至180mm，根據(jù)設(shè)防地震作用下樓板的應(yīng)力進(jìn)行配筋，并在應(yīng)力集中的位置采用亞14@150進(jìn)行配筋加強(qiáng)；裙房屋面上、下層結(jié)構(gòu)的樓板厚度不小于120mm，根據(jù)設(shè)防地震作用下樓板的應(yīng)力情況配筋；在應(yīng)力集中、突變的位置將板厚加厚至160mm，采用亞12@150加強(qiáng)樓板的配筋。
(4)為減少溫度效應(yīng)對樓板的影響，采用以下技術(shù)措施：1）設(shè)置溫度后澆帶：通過在超長結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置處（主樓旁一跨，與沉降后澆帶位置同，共兩條）設(shè)置后澆帶來減小混凝土結(jié)構(gòu)的早期自身收縮，主體結(jié)構(gòu)斷水1個(gè)月后用強(qiáng)度高一級的膨脹混凝土澆筑封閉。2）加強(qiáng)樓板配筋：通過計(jì)算確定樓板在溫度變化下所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力情況進(jìn)行梁、板配筋。3）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)保溫，做好混凝土澆搗后的保濕養(yǎng)護(hù)工作，合理控制混凝土水灰比等材料配置參數(shù)，減小混凝土自身的材料收縮，并在混凝土中添加膨脹劑。4）加強(qiáng)梁、板構(gòu)造配筋，加強(qiáng)梁腰筋配置并滿足縱筋的抗扭錨固要求；樓板板底鋼筋在支座處盡量拉通，需要截?cái)鄷r(shí)，應(yīng)滿足受拉錨固要求。
4 結(jié)論及建議
(1)雙塔高層建筑隔震設(shè)計(jì)時(shí)，在對雙塔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行隔震分析的同時(shí)應(yīng)對單塔模型進(jìn)行校核，采取包絡(luò)設(shè)計(jì)，按最不利的情況進(jìn)行隔震支座布置、隔震層設(shè)計(jì)、地下室及地基基礎(chǔ)等相關(guān)的隔震設(shè)計(jì)。
(2)隔震支座拉應(yīng)力的驗(yàn)算應(yīng)滿足抗規(guī)不大于1. 0M Pa的要求，且同一時(shí)刻產(chǎn)生拉應(yīng)力的隔震支座數(shù)量占隔震支座總數(shù)量的比例不宜超過15%，不應(yīng)超過20%。
(3)為保證雙塔結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形協(xié)調(diào)，裙房屋面板應(yīng)有一定的剛度及變形協(xié)調(diào)能力，雙塔之間裙房屋面板的連接部分應(yīng)按設(shè)防地震作用下板的應(yīng)力進(jìn)行配筋。
(4)雙塔結(jié)構(gòu)往往房屋總長超過混規(guī)限值，除采取溫度后澆帶、外加膨脹劑等措施外，還建議采用SAP2000軟件對升溫及降溫情況下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，在應(yīng)力集中或變化較大的位置進(jìn)行配筋加強(qiáng)。
